Я нашел тебе луну: Мимас

Поскольку я не мог заснуть, я подумал, что сделаю кое-что из математики, так что вот оно:

Radius_Mars = 3390 * 10^3   %in meter
Thickness_Atm = 66 *10^3    %Earth atomosphere is about 100km, took 2/3 for 
mars in meters
Volume_Atm = 4/3*pi*(Radius_Mars+Thickness_Atm)^3 - 4/3*pi*Radius_Mars^3;   
Volume_Atm = 9.7E18 m^3
Air_Density = 1.2 %kg/m^3
Needed_Mass = 0.3*Air_Density*Volume_Atm;   %3.4E18 kg
Needed_Mass = 3.4E18 kg

Значит нужна масса 3.4Е18 кг чтобы стрелять с какой-нибудь луны (по вики астроиды в поясе в основном типа С, S и М так что не подходят), так что найдите ледяную луну с наименьшей гравитацией. Казалось бы, Мимас, вращающийся вокруг Сатурна, в основном состоит из льда, а его поверхность такая же маленькая, как Испания. Масса Мимаса 3,7х19 кг, то есть всего на порядок выше. Таким образом, вместо того, чтобы иметь дело со скоростью убегания, просто переместитесь на полную Луну к Марсу, вопрос будет только в том, насколько быстро вы этого хотите.

Итак, если у вас есть терпение в течение 10 лет, вы должны пройти промежуточное расстояние между Сатурном и Марсом, составляющее примерно 1,2E9 км. Таким образом, ваша средняя скорость, принимая во внимание, что вам нужно тормозить ровно столько времени, должна быть

 average velocity = 1.2E12/31E7 = 3834 m/s

Итак, чтобы рассчитать энергию, просто используйте формулу кинетической энергии.

 energy = 1/2*m*v^2

Таким образом, необходимая энергия становится:

 energy = 1/2*3.7E19*3834^2 = 2.719E26 J

Чтобы представить это в перспективе, если вы используете все солнечное излучение, падающее на Землю, вам нужно будет собирать его со 100% эффективностью в течение 12,4 лет, чтобы получить необходимую энергию. Так что я думаю, что мы не будем двигать планеты в ближайшее время :D.

Поскольку уже поздно, было бы неплохо проверить цифры.

Важное предисловие: без установленного периода времени для выполнения этой задачи стоимость энергии не может быть рассчитана .

Я сделаю предположения о времени.

Текущие реальные данные Марса. https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/marsfact.html

Атмосфера

Приземное давление: 6,36 мб на среднем радиусе (варьируется от 4,0 до 8,7 мб в зависимости от сезона)
[от 6,9 до 9 мб (посадочная площадка Viking 1)] Общая масса атмосферы: ~2,5 x 1016 кг

• 1 мб = 0,1 кПа. 6,36 мб = 0,636 кПа.
• Предлагаемый Марс из ОП имеет давление воздуха 10 кПа. 10/0,636 = 15,7. Общая масса атмосферы увеличилась в 15,7 раза.
• Текущая общая масса атмосферы составляет (2,5 х 1016) х 15,7 = 3,92 х 10 ¹⁷ кг.
• Вы просите поднять атмосферное давление еще на 40 кПа (всего до 50 кПа). Отмечено: добавление массы газа может не полностью преобразовать в повышение давления, но мы предположим.
  Вы хотите добавить 4-кратную текущую массу атмосферы к текущей массе атмосферы.
• Вам нужно 4 х (3,92 х 10 ¹⁷ кг) = 15,7 х 10 ¹⁷ кг или 1,57 х 10 ¹⁸ кг газа.

Для справки, давайте рассмотрим, что потребуется, чтобы импортировать такую ​​массу с Земли. Я знаю, что условия ОП исключают Землю, но это даст ощущение масштаба для этих огромных чисел.
https://www.space.com/24701-how-long-does-it-take-to-get-to-mars.html Предположим, что расстояние между Землей и Марсом составляет 225 миллионов километров. Позволим себе неторопливый 1 год пройти это расстояние.
225 000 000 км/год — это 7134 метра в секунду. Это так здорово, что Google сделает такие расчеты за вас!

Опять же для масштаба: это 25684 км/час. Это хороший клип, но зонд «Новые горизонты» (по ссылке выше) прошел в два раза быстрее, так что все в порядке.

Кинетическая энергия = 1/2 * масса * скорость ^ 2, где кинетическая энергия в джоулях, масса в килограммах, а скорость в метрах в секунду.

Джоули: скорость в м/с ^2 = 7134 ^2. = 50893956 Перемещенная
масса (сверху) = 1,57 x 10 ¹⁸ кг
1,57 x 1018 кг x 50893956 = 7,9903511e+25.

Разделенное на 2 = 3,9951755e+25 джоулей для перемещения необходимой массы с Земли на Марс за 1 год.

Конечно, нужно замедлить эту массу, когда она прибудет на Марс, если только у вас нет схемы бесплатного замедления ее путем вбивания массы в поверхность. Что может иметь разветвления, так сказать. Энергия, которую вы вложили, чтобы разогнать его, вы должны затем вложить обратно, чтобы замедлить его: x 2, что, к счастью, уже сделано: 7,9903511e+25 джоулей.

Было бы энергетически более затратно делать это быстрее (потому что нужно разогнаться до более высокой скорости) и менее затратно делать это медленнее. Если перемещать массу издалека (например, с Титана), то же самое верно: это будет стоить той же энергии, что и перемещение ее с Земли, но займет больше времени или потребует больше энергии, чтобы пройти большее расстояние с той же скоростью. Без установленного периода времени для выполнения этой задачи стоимость энергии задачи не может быть рассчитана .

Рассмотрим альтернативу: это общество должно иметь метрический запас энергии, доступной для рассмотрения такой попытки. С моей точки зрения, это общество имеет неограниченную энергию. Может быть, они используют силы Казимира или являются мастерами синтеза. Движущаяся масса была бы уловкой с потенциалом катастрофы на многих этапах пути. Логистика сбора такой большой массы у ее источника, удержания ее вместе в пути и замедления на Марсе пугает.

Вместо этого, как насчет того, чтобы использовать эту свободную энергию для создания массы на месте?

Сколько энергии содержится в такой массе? Сладкие онлайн-калькуляторы! http://www.wolframalpha.com/widgets/view.jsp?id=b3aa19fe9dc706a3b4cdaa8ddb37d852 1,57 x 10 ¹⁸ кг преобразуется в 1,411 x 10 ³⁵ джоулей.

Дважды сверившись с этим калькулятором http://www.1728.org/einstein.htm , я получаю 1,348e+35 при такой массе.

Для масштаба солнце излучает 3,725e+26 джоулей в секунду. Чтобы создать требуемую массу, используя всю выходную энергию Солнца, потребуется 361879194 секунды или 11,4 года. В зависимости от того, как работает ваш источник энергии, вы можете установить на Марсе станции массового производства и позволить им пыхтеть.

Конечно, если вы хотите быть очень суетливым, эти цифры предполагают, что новая марсианская атмосфера имеет тот же газовый состав и такой же вес в килограммах, что и существующая настоящая марсианская атмосфера, которая в основном состоит из CO2. В OP не указано, из чего состоит новая марсианская атмосфера: при 10 кПа и 50% O2 есть 50% чего-то еще, что должно быть CO2. (Вы бы очень тяжело дышали в такой атмосфере, и вам казалось бы, что вы отрыгнули кока-колу себе в нос).

• Все газы имеют одинаковый объем.
• Вся атмосфера CO2 (нынешний реальный Марс) будет состоять из 44 г/моль газа.
• Импортированная или созданная атмосфера N2 будет составлять 28 г/моль газа. Это 0,63 массы, которую я использовал выше. Кому очень интересно, могут умножать соответственно на новые числа.
• Вы могли бы сделать (но, вероятно, не найти и импортировать) атмосферу неона с 71% массы вашей атмосферы двухатомного азота. Это будет 0,45 массы, которую я использовал выше для расчетов. Так что всего 4,5 года, чтобы с вашей энергией производить массовые заводы!

Я бы серьезно рассмотрел астероиды главного пояса. Дельта V от переходной орбиты Марса до переходной орбиты Цереры составляет 1,3 км/с. Вам не нужно лететь к астероиду размером с Цереру, и вы будете выбрасывать небольшие куски, которые сгорают в атмосфере, поэтому вам не нужно ничего замедлять.

Допустим, вы стреляете кусками весом 1 кг со скоростью от 0 до 1300 м/с за 1 секунду.

Это занимает 650 метров (d = 1/2*a*t^2).

Энергия кг* м^2/с^2 или кг*м*а

так что это 845000 джоулей на кг (вы можете изменить время или ускорение, чтобы получить эту дельта v, а энергия не изменится. Давайте назовем это 1 x 10 ^ 6, потому что наш астероид имеет некоторую гравитацию.

Кто-то умнее меня сказал, что вы ищете ~ 2 x 10 ^ 18 кг. Общая масса пояса астероидов составляет 3 x 10 ^ 21 кг, так что для меня это имеет смысл.

Вам нужно 2 x 10^24 Дж или 2 x 10^21 кДж.

«Атомная электростанция Пало-Верде в Аризоне — крупнейшая атомная электростанция в США с тремя реакторами и общей мощностью производства электроэнергии около 3937 МВт».

и 1 МВтч = 3,6 х 10 ^ 6 кДж

Таким образом, 555,5 x 10 ^ 12 МВтч - это 1000 Пало-Вердес, работающих на максимальной мощности в течение 141 миллиона часов (16000 лет).

Это немного разочаровывает, но, возможно, ваша пусковая установка могла бы использовать Цереру для помощи гравитации. Если бы вы могли получить дельту v больше, чем 300 м / с, это уменьшило бы ее до 7 миллионов часов (800 лет).

Итак, другие ответы установили, что нелегко перемещать огромное количество массы по Солнечной системе. Почему бы не попытаться решить проблему, как это делает НАСА?

Создание разреженного воздуха из камней

В отличие от типичного «создания вещей из воздуха», изобретательный химический процесс позволяет производить воздух из горных пород. В частности, модифицированная версия процесса Фрая-Фартинг-Чена (FFC) включает оксиды металлов, такие как диоксид титана, оксид магния или оксид натрия, и разделяет два элемента. Это было впервые предложено в 2000 году и сразу же получило статью в журнале Nature . Хотя изначально этот процесс был разработан для производства металлов высокой чистоты, этот процесс привлек большое внимание в конце 2000-х, когда НАСА и другие поняли, что его можно использовать для производства кислорода из лунного реголита . Это известно как «Использование ресурсов на месте» (ISRU), и НАСА вложило довольно серьезные деньги .к определению целесообразности.

В частности, в процессе Ильменокс используется специально разработанный реактор, который отделяет кислород от других элементов лунного или марсианского реголита и высвобождает его в атмосферу .

Цитируя статью на phys.org , резюмирующую это развитие,

Основываясь на экспериментах с имитацией лунного камня, разработанных НАСА, исследователи подсчитали, что три реактора высотой один метр могут генерировать на Луне одну тонну кислорода в год. Для производства каждой тонны кислорода потребуется три тонны породы. Фрэй отметил, что трем реакторам потребуется около 4,5 киловатт энергии, которая может быть обеспечена солнечными панелями или, возможно, небольшим ядерным реактором на Луне. Исследователи также работают с Европейским космическим агентством над созданием еще более крупного реактора, которым можно было бы управлять дистанционно.

Итак, подведем итог: мы можем использовать реакторы мощностью 4,5 киловатта для получения кислорода (или углекислого газа) из лунных пород. Отдача от этого составляет около 1000 кг кислорода в год. Таким образом, наше преобразование энергии

Чтобы позаимствовать отличный ответ Уилла, нам нужно что-то вроде 1,57 x 10 ¹⁸ кг газа. Чтобы синтезировать все это de novo , нам потребуется 2,23 x 10 ²⁶ джоулей энергии . Любопытно, что это на том же уровне, что и другие ответы - круто! Однако я утверждаю, что мой метод по-прежнему лучше по нескольким причинам.

Причина № 1: контролируемый прогресс

Как указывают многие другие ответы, половина их затрат энергии приходится на замедление того, что они бросают в это. С помощью этого метода процесс контролируется от начала до конца — наращивайте производство или замедляйте его по мере необходимости. Чтобы представить это число в контексте, давайте заглянем на всеми любимую страницу в Википедии :

• Если бы это было сделано с использованием традиционных ископаемых видов топлива, мы могли бы рассчитывать на 10 000 лет, если бы мы использовали все ископаемые виды топлива на Земле каждый год: запасы ископаемого топлива по состоянию на 2010 г. = 3,9 × 10 ²² Дж .
• Если мы покончим с ядерными технологиями, как предлагает ваш вопрос, мы можем ожидать, что это займет больше 1000 лет, если мы будем использовать весь уран на Земле каждый год: глобальные ресурсы урана-238 = 2,2 × 10 ²³ Дж .
• Если бы мы покрыли Марс солнечными панелями, то можно было бы ожидать, что это будет сделано примерно через 100 лет: суммарная мощность, полученная Марсом от Солнца$\approx$6,6x10 ¹⁶ Вт
• Если мы покроем Солнце солнечными панелями , мы закончим за одну секунду: солнечная мощность = 3,8×10 ²⁶ Вт.

Причина № 2: мы на самом деле добываем газ

Большинство других ответов бросали что-то вроде маленькой луны или целой кучи камней на Марс и заканчивали это. Это... не атмосфера? И не особенно дружелюбен к жителям? Вместо этого с помощью этого метода мы производим атмосферные газы в любой смеси углекислого газа и кислорода, которая нам нужна, что позволяет нам найти хороший баланс между фототрофами и гетеротрофами, пока мы продолжаем терраформировать это место. Если другим ответам не удастся найти внеземной объект, состоящий в основном из азота или неона, вопреки всем традиционным составам внеземных тел, которые мы до сих пор обнаружили, все, что они сделают, это добавят больше камней на это место - в основном силикаты и оксиды металлов. .

Причина № 3: Избыток высокочистых металлов как побочный эффект

«Но подождите, — скажете вы, — а как же все побочные продукты процесса FFC?» Что ж, я очень рад, что вы спросили. Как отмечалось ранее, этот процесс традиционно используется для получения металлов высокой чистоты путем удаления кислорода из оксидов металлов. Теперь, когда мы поменялись ролями, эти металлы по сути являются «отходами» — думаю , вместо этого нам придется делать из них действительно крутые здания .

К сожалению, единственные газы, которые вы можете безопасно поместить в атмосферу терраформированного тела, это кислород и азот.

Земли нет, поэтому единственным возможным источником азота является Титан (если только у вас нет экономичного способа установить частичный цикл CNO и у вас нет достаточного количества углерода или двуокиси углерода, а также энергии).

Азот на Титане — или любая значительная гравитация за пределами Марса — обладает гораздо большей потенциальной энергией, чем это возможно высвободить на красную планету. Самый простой способ доставки азота, то есть переохлаждение его в замороженных ракетах и ​​запуск их по Марсу с помощью линейных ускорителей, даст еще больше энергии. Замерзшие ракеты будут гореть и распадаться в марсианской атмосфере, но при этом будут слишком сильно нагревать ее (а чуть позже и землю).

По той же причине невозможна доставка грузов реактивными двигателями. Каждый килограмм на уровне земли Марса будет стоить слишком дорого либо из-за отработанного тепла, либо из-за загрязнения окружающей среды.

Безынерционные гравитационные двигатели, конечно, решили бы эту проблему, но это не современная технология; даже не на виду.

Дальнейшее также почти наверняка невозможно, но из-за логистических и экономических ограничений, а не из-за технологических ограничений.

Этап первый: построить базу на Титане, установить пусковую установку (на самом деле много пусковых установок).

База на Титане отправит снаряды на переходную орбиту Хомана , обеспечив первую часть необходимой дельта-V. Это обойдется вам примерно в 11 МДж/кг плюс еще 3,48 МДж/кг космической скорости.

Пусковая установка может быть установлена ​​на скайхуке на Титане, чтобы уменьшить вторую часть этих затрат.

Снаряд — это просто изолирующая оболочка над одной тонной переохлажденного твердого азота плюс маяк на солнечной энергии, и он прибудет на Марс через 5–18 лет в зависимости от положения планет. У него нет маневренных возможностей.

Этап второй: построить «ловец» (или их лес) на орбите вокруг Марса.

Ловцу предстоит нейтрализовать кинетическую энергию летящего снаряда с помощью электромагнитного торможения. Для этого вам понадобится минимум около 28,5 МДж/кг. Это также определит изменение орбиты ловца. Чтобы уравновесить это, потребуется установить какой-то двигатель, может быть, ионный двигатель. Возможно, мы могли бы использовать Фобос в качестве промежуточной станции, но это ограничило бы нас одной промежуточной станцией, ограничивая как количество окон захвата, так и размер залпа.

Другая возможность может состоять в том, чтобы загарпунить приближающийся снаряд — он будет двигаться со скоростью около 7500 м/с — и замедлить его с помощью динамо-катушки. Это позволило бы восстановить большую часть этих 28,5 МДж/кг, даже если даже торможение при 10 G все равно потребует более одной минуты, и окупить около 290 км провода. Снаряд весом в одну тонну, упавший с Сатурна, будет развивать мощность около 370 мегаватт (28500 МДж за 76 с).

Третий этап: сбросить шарики на Марс.

Падая на 6000 км с высоты Фобоса, даже при нулевой начальной скорости по отношению к планете (пусковая установка «Фобос» просто нейтрализует орбитальную скорость Луны), замороженные гранулы азота все равно будут обладать потенциальной энергией около 7,1 МДж / кг; даже если они близки к абсолютному нулю, они будут поглощать только около 0,3 МДж/кг для перехода в газовую фазу. У нас останется избыток более 28 миллионов калорий на килограмм, что неприемлемо.

Единственная альтернатива — скайхук. Станция Skyhook будет вращаться в той же плоскости, что и приближающиеся снаряды, и поочередно ловить их с любой стороны планеты, тем самым сбрасывая избыточную энергию прямо на Марс. Нам потребуется большая серия скайхуков по всей планете — по сути, искусственное кольцо вокруг Марса.

Затем газ будет сбрасываться прямо вниз, нейтрализуя (и восстанавливая часть) эти 7 МДж/кг энергии за счет магнитного торможения.

Большой вопрос сейчас в том, сколько времени это займет .

Если предположить, что каждый снаряд весит одну круглую тонну, нам потребуется около трех миллиардов миллионов снарядов. Большая часть необходимой энергии поступает за счет гравитации, но все же нужны пусковые установки и улавливатели. При одной тысяче каждого нам потребуется три миллиона миллионов залпов, а при одном залпе в секунду (помните, что мы перемещаем одну тонну массы за один запуск, и, кстати, нам нужно рассеять много энергии) это сто тысяч лет .